等離子噴涂技術(shù)ppt

1、等離子噴涂技術(shù)等離子噴涂技術(shù) 組員：譚哲 梁佩 張檜楠 謝希鑫 彭偉 杜波 徐向偉 目 錄1.等離子噴涂的定義、原理 和特點(diǎn)2.等離子噴涂與其它表面改性技術(shù)的區(qū)別3.等離子噴涂涂層的檢測4.等離子噴涂設(shè)備5.等離子噴涂工藝6.等離子噴涂應(yīng)用舉例7.等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展等離子噴涂的定義、原理 和特點(diǎn)定義定義:等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。 基本原理：基本原理：等離子噴涂技術(shù)是采用直流電驅(qū)動(dòng)的非轉(zhuǎn)移型等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并高速噴向經(jīng)過預(yù)熱處理的工件表面，

2、形成附著牢固的表面層的方法。 1）可噴材料廣泛 由于等離子噴涂時(shí)焰流溫度高、熱量集中，弧柱中心溫度可升高到15000-33000，它能熔化一切高熔點(diǎn)和高硬度材料。這是其它噴涂方法所不能實(shí)現(xiàn)的。2）涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高（相對于火焰噴涂） 因?yàn)榈入x子噴涂能使粉末獲得較大的動(dòng)能，且粉末溫度又高，所以，噴涂獲得的涂層致密度，一般在90%-98%之間，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)65-70MPa。3）對工作熱影響小 等離子噴涂時(shí)，噴涂后基體組織不發(fā)生變化，工件幾乎不產(chǎn)生變形。4）效率高 等離子噴涂時(shí)，生產(chǎn)效率高，采用高能等離子噴涂時(shí)，粉末的沉積速率達(dá)8Kg/h。等離子噴涂具有以下特點(diǎn)：等離子噴涂與其它表面改性技術(shù)的區(qū)別

3、1、與火焰噴涂的區(qū)別 等粒子噴涂技術(shù)是繼火焰噴涂之后大力發(fā)展起來的一種精密噴涂方法。它具有：超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂。噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高。由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。 等離子體的高溫足以瞬間熔化目前已知的任何材料，從而使等離子噴涂的材料更為豐富，特點(diǎn)是噴涂高熔點(diǎn)陶瓷材料，等離子噴涂具有很大優(yōu)勢。 火焰噴涂只適合一些熔點(diǎn)較低的噴涂材料。 粉末火焰噴槍結(jié)構(gòu)及噴涂原理示意圖等離子噴槍結(jié)構(gòu)及噴涂原理示意圖2、與氣相沉積的區(qū)別1 1）根本方法不同（定義）根本方法不同（定義） 等離子噴涂是將材料輸送到高溫等離子射流中，粉末顆粒在高溫等離子射被瞬間加熱

4、到熔化或者半熔化狀態(tài)，并以單個(gè)顆粒為單元分別凝固在基體表面形成層片狀堆積涂層。 氣相沉積是將一種或數(shù)種材料通過電阻加熱、離子轟擊或者電子束照射方法使其氣化（或化學(xué)分解），以直接氣固沉積方式（或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）在基體表面沉積薄膜的工藝方法。3 3）涂層組織結(jié)構(gòu)與厚度不同）涂層組織結(jié)構(gòu)與厚度不同 等離子噴涂涂層的組織為層狀堆積，涂層存在大量粒子間界面和氣孔等缺陷 氣相沉積涂層是致密的幾微米厚的薄膜材料 4 4）性能上的不同）性能上的不同 等離子噴涂在某種程度上提高了涂層的性能 氣相沉積大大提高了材料的性能2 2）條件不同）條件不同 等離子噴涂可以直接在大氣環(huán)境下 氣相沉積通常在真空環(huán)境下進(jìn)行等離子噴

5、涂涂層的檢測方法1）涂層結(jié)合力試驗(yàn)方法）涂層結(jié)合力試驗(yàn)方法涂層的結(jié)合強(qiáng)度是涂層系統(tǒng)的重要的指標(biāo)，常用的試驗(yàn)方法有膠接拉脫法、杯突法、彎曲、扭轉(zhuǎn)法等結(jié)合力測試方法。隨著測試技術(shù)的不斷提高，目前各種新型試驗(yàn)方法不斷涌現(xiàn)，如聲發(fā)射劃痕法、連續(xù)載荷壓痕法、動(dòng)態(tài)循環(huán)加載接觸疲勞法等。2 2）涂層硬度測定）涂層硬度測定涂層的硬度測定分為宏觀硬度（洛氏表面硬度）和微觀硬度（顯微硬度和維氏硬度）。測定宏觀硬度時(shí)，對涂層的厚度有一定的要求。顯微硬度和維氏硬度可以對涂層中的基體相和硬質(zhì)相進(jìn)行分別測定，精確度較高，因此在熱噴涂層的硬度試驗(yàn)中被廣泛采用。3 3）涂層界面和表面性能的試驗(yàn)）涂層界面和表面性能的試驗(yàn)涂層界

6、面性能主要考慮由熱沖擊和涂層基體間熱膨脹系數(shù)不匹配等所產(chǎn)生的界面應(yīng)力，以及循環(huán)加載、接觸疲勞等，在界面產(chǎn)生的剪應(yīng)力會(huì)引起的界面疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。以上兩方面的因素都會(huì)加速涂層開裂和剝落。涂層表面性能試驗(yàn)則主要考核其各種功能性，如各種磨損試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、腐蝕和高溫氧化試驗(yàn)等。通常這些實(shí)驗(yàn)后，還需對涂層的成份、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行金相、電鏡、 X 射線衍射，電子探針等方面的微觀分析，最后對涂層性能進(jìn)行評價(jià)。4 4）涂層的殘余應(yīng)力）涂層的殘余應(yīng)力熱噴涂層的另一個(gè)典型特征是噴涂過程中，涂層的冷卻與凝固產(chǎn)生的收縮在涂層基體界面出現(xiàn)殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力在棱角和邊緣往往形成拉應(yīng)力，并會(huì)在邊界引起裂紋，裂紋在一定的條

7、件下，會(huì)發(fā)生擴(kuò)展最終造成涂層剝落。涂層材料的熱膨脹系數(shù)和涂層的厚度對殘余應(yīng)力影響很大的。一般來說涂層越薄，則相應(yīng)的殘余應(yīng)力就越小。等離子噴涂設(shè)備等離子噴涂設(shè)備 等離子噴涂設(shè)備主要有：整流電源、控制柜、噴槍、送粉器、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)等，他們相互配置如下圖。另外，等離子噴涂所需要的輔助設(shè)備有：空氣壓縮機(jī)、噴涂機(jī)械手、工作臺和噴砂設(shè)備等。等離子噴涂設(shè)備1）整流電源 噴涂用的整流電源是向噴槍供給電能的裝置，其外特性、動(dòng)特性及供電參數(shù)都應(yīng)滿足噴槍產(chǎn)生等離子弧的要求。目前采用的整流電源類型仍主要是磁放大器硅整流電源及可控硅整流電源。等離子噴涂設(shè)備2）控制柜 等離子弧噴涂控制柜的主要作用是控制和

8、調(diào)節(jié)向等離子噴槍供應(yīng)冷卻水、工作氣、送粉氣、工作電流及調(diào)頻電流等參數(shù),并加以顯示?？刂乒裰羞€務(wù)有各種保護(hù)裝置，保證設(shè)備正常的工作。等離子噴涂設(shè)備3）噴槍 噴槍是等離子噴涂設(shè)備的核心裝置。噴槍產(chǎn)生高溫、高速等離子火焰，粉末經(jīng)送粉器被送入等離子焰中經(jīng)過熔化加速過程最終噴射到基材表面。噴槍是形成涂層的關(guān)鍵設(shè)備。噴槍由陰極、噴嘴（陽極）、朝氣道與氣室、水冷密封、絕緣體及槍體構(gòu)成。等離子噴涂設(shè)備4）送粉器 送粉器是貯存和向噴槍供給粉末的裝置。主要是向等離子噴槍均勻、定量地輸送噴涂粉末。對送粉器的主要技術(shù)要求是送粉量準(zhǔn)確度高、送粉量調(diào)節(jié)方便，以及對粉末粒度的適應(yīng)范圍廣等。目前常用的是喬板式送粉器,適用于固

9、態(tài)流動(dòng)性好的粉末，和帶有小孔的轉(zhuǎn)盤吹式送粉器,用于固態(tài)流動(dòng)性差的粉末和微細(xì)粉末。 等離子噴涂設(shè)備5）水冷系統(tǒng) 水冷系統(tǒng)是向噴槍供給一定壓力和足夠流量冷卻水的裝置，供水裝置包括增壓水泵和熱交換器。等離子噴涂設(shè)備6）氣體供給系統(tǒng) 供氣系統(tǒng)包括工作氣和送粉器的供氣系統(tǒng)，主要由氣瓶、減壓閥、儲(chǔ)氣筒、流量計(jì)等組成。等離子噴涂工藝 噴涂前的表面處理 1、基體表面的清洗、除油 對滲有油脂的基體表面的清洗、除油,多采用堿洗法(氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液),溶液洗滌法(揮發(fā)性溶液,如丙酮、乙醇、汽油等),蒸汽清洗法(采用三氯乙烯蒸氣);而對疏松基體表面(如鑄鐵件)的清洗、除油比較困難復(fù)雜。 2、基體表面氧化膜的

10、處理 一般采用機(jī)械處理方法，如切削加工法和人工除銹法,也 可采用硫酸或鹽酸進(jìn)行酸洗。3、基體表面的粗化處理 基體表面的粗化處理是提高涂層與基體表面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。常用方法有噴砂法、機(jī)械加工法、化學(xué)腐蝕法等。常用的砂粒材料有冷硬鐵砂、氧化鋁砂、碳化硅砂等。4、基體表面的預(yù)熱處理 在等離子噴涂過程中,涂層與基體之間的溫度差比較大, 就會(huì)產(chǎn)生涂層收縮應(yīng)力,從而引起開裂、剝落的不良后果。因此,合理的選擇和控制預(yù)熱溫度很重要,一般對基體表面的預(yù)熱溫度在200-300之間。5、非噴涂表面的保護(hù) 噴砂和噴涂之前,必須對基體的非噴涂表面進(jìn)行保護(hù),可根據(jù)非噴涂表面的形狀和特點(diǎn),設(shè)計(jì)一些簡易保護(hù)罩 保

11、護(hù)罩材料可采用薄銅皮或鐵皮。對基體表面上的鍵槽和小孔等部位,可采用石棉繩堵塞。 等離子噴涂工藝參數(shù)的選擇等離子噴涂工藝參數(shù)的選擇: : 噴涂粉末的選擇 氣體的選擇 電參數(shù)的選擇 噴涂距離的選擇 噴槍移動(dòng)速度的選擇等離子噴涂應(yīng)用舉例材料選擇等離子噴涂應(yīng)用舉例材料選擇基體材料基體材料 以珠光體Q235為基體，該材料強(qiáng)度和韌性較好，其主要化學(xué)成分如下表：CSiMnSP0.12-0.170.130.30-0.700.0450.040粘結(jié)層材料粘結(jié)層材料 所選用等離子噴涂AT13陶瓷涂層的打底層材料為Ni-Al合金粉末，其粒度范圍為140m -260m，化學(xué)成分如下表：NiAl7017-20Ni-Al合

12、金粉末SEM照片陶瓷層材料陶瓷層材料 噴涂材料選用的是Al2O3-13%TiO2陶瓷粉末，這是因?yàn)橐訟l2O3-TiO2為涂層時(shí)，含13%TiO2，涂層的耐磨性最佳。AT13的化學(xué)成分和物理性能如下表示：樣品化學(xué)成分（wt%）熔點(diǎn)粒度密度流動(dòng)性TiO2 Al2O3m(gcm3)AT1313余量184020-403.68較好AT13粉末的SEM照片等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層的制備等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層的制備 噴涂方法噴涂方法 在噴涂前，首先要在噴涂的基體表面采用16#剛玉進(jìn)行粗化處理。將基體待噴面用3-4個(gè)大氣壓壓縮空氣在100-300mm范圍內(nèi)進(jìn)行噴砂處理，直至試樣表面無反光后停止噴砂。再用壓縮空

13、氣將噴砂表面沙清除干凈。 噴涂時(shí)等離子弧對試樣具有較大吹力，為了防止基體試樣移位，將基體試樣固定，試驗(yàn)均采用可編程控制的UP6型機(jī)器人控制噴槍進(jìn)行噴涂。涂層設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)涂層設(shè)計(jì)及工藝參數(shù) 先在Q235基體上噴涂粘結(jié)層Ni-Al，然后再噴涂AT13陶瓷粉末獲得陶瓷涂層?；w及各涂層厚度如下表所示：等離子噴涂工藝參數(shù)如下表所示：參數(shù)Ni-Al打底層AT13陶瓷層電流（A）600650電壓（V）3737主氣Ar（PSI）6060次氣H2（PSI）5050送粉氣Ar（PSI）5050送粉速度（g/min）2.52.5嘞涂距離（mm）100100噴涂速度（mm/s）800800基體或涂層材料厚度Q23

14、5基體材料3.88mmNi-Al打底層200mAT13陶瓷層340m噴涂步驟噴涂步驟 1）Q235鋼基體表面的粗化和凈化：在噴涂前，用16#剛玉砂對試樣表面做噴砂處理，直到基體表面沒有金屬光澤，然后用酒精清洗、烘干； 2）固定噴涂試樣：由于等離子噴涂過程中等離子焰流的吹力較大，噴涂前必須將試樣固定在轉(zhuǎn)臺上； 3）根據(jù)等離子噴涂參數(shù)噴涂Ni-Al打底層； 4）根據(jù)等離子噴涂參數(shù)噴涂AT13陶瓷層。噴涂處理噴涂處理 噴涂結(jié)束后不能馬上拿取工件，因?yàn)榈入x子噴涂溫度很高，噴槍火焰中心溫度在10000以上，所以噴出的顆粒溫度也很高。在室溫下冷卻至常溫后取下工件，立即進(jìn)行封孔處理，防止涂層吸附潮氣而影響質(zhì)

15、量。擬選材料為微晶石蠟，可以借助涂層余熱溶化封孔。等離子噴涂應(yīng)用舉例實(shí)驗(yàn)結(jié)果涂層截面金相照片涂層截面SEM照片等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展 由于等離子噴涂技術(shù)在制備耐磨、耐熱、耐腐蝕、絕緣和隔熱等各種不同性能的涂層時(shí)，具有很多獨(dú)特的優(yōu)越性。因此，國外對等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展受到了普遍的重視，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： 1、發(fā)展高能等離子噴涂設(shè)備 高能等離子噴涂設(shè)備為噴槍提供了高的輸入功率，使工作氣體得到充分的分解和電離，增加了等離子體的熱焓值和三種壓縮效應(yīng)，從而提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的致密度。 2、發(fā)展高焓、高速等離子噴槍 在發(fā)展高能等離子噴涂設(shè)備的同時(shí)，必須使等離子噴槍的結(jié)構(gòu)與其相適應(yīng)。 3、超細(xì)粉末的研制和超細(xì)粉末送粉器 超細(xì)粉末又稱非自流粉末。超細(xì)粉末的粒度一般在520微米之間，它的出現(xiàn)，大大的改善